CN105388181A - 热阻测试传感器*** - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种热阻测试传感器***，旨在提供一种能够提高T3ster热测试仪使用范围和测试对象范围的传感器。本发明通过下述技术方案予以实现：热电偶打孔布置于微带电阻封装基板上，形成T3ster的传感器，并将热电偶连接T3ster自带的数据采集模块；T3ster数据采集模块在T3ster控制器的控制下工作，输出高电平控制信号打开电子开关，接通微带电阻加电的高压电源，当微带电阻达到热平衡时，T3ster控制器输出一个阶跃低电平信号给电子开关，关断给微带电阻供电的高压大电源，T3ster数据采集模块同步采集阶跃热负荷变化时微带电阻上热电偶的温度信号，形成温度响应曲线，应用T3ster自带信号处理软件，自动分析出传热路径上的热结构函数，求取传热结构中关心位置段的热阻。

Description

热阻测试传感器***

技术领域

本发明涉及一种基于瞬态测试方法的结构热阻测试传感器***。

背景技术

随电子技术的发展，在电子设备结构设计中，越来越关注电子器件外部热路的热阻，特别是在目前电子设备结构封装的层次越来越多，越来越复杂的情况下，热阻是判断一个***热设计好坏的关键参数，也是***设计成败的关键。热阻的测量主要涉及温度测量和热功耗测量。温度测量通常使用温度传感器测量温度。温度传感器通常采用热电偶、铂电阻、半导体PN节等。而热功耗测量通常直接采用施加的电功耗散，通过测量电流计电压来间接推导获得热功率耗散，并没有专门的测量仪器。为了测量芯片封装热结构，现有技术发明了实际上是一种热传感器的热测试芯片。热测试芯片是利用半导体二极管PN节，采用芯片Die上内置电阻对芯片进行加热，通过加热电阻电连接半导体二极管PN结，以PN结的顺向压降与温度的关系获得芯片内部某点位置温度随时间变化的曲线，通过测量输入的加热功率、以及PN节位置的温度变化，在稳态状况下，获得单位功率变化下该温度所关心位置的温差与加载发热量之比来定义某两点之间单位为K/W的热阻数据，作为芯片的节热阻。

现有技术采用的热测试芯片的不足之处在于：

通用性较差，通用性受封装厂家提供热芯片的制约。每个不同的芯片都必须采用对应封装厂家提供的热设计芯片，由于封装厂家不可能提供所有芯片对应的热设计芯片，使得通用性受到了很大制约。因此在测量芯片节温方面，已经很少采用热测试芯片此类方法来作为芯片的节热阻。只是某些重要芯片如CPU还有热设计芯片，但其价格比较贵，对于普通设计单位，且难以采购到对应的热设计芯片。

其次是热测试芯片只能用于测试特定封装的芯片的的各类热阻，如芯片节到壳，节到PCB板等的热阻。

近年来发展了一种新型的T3ster测量节热阻方法，利用该方法不仅可通过稳态分析获得芯片节温，更为重要的是可根据节温随时间变化关系，通过后期信号处理获得芯片的传热结构的信息，得到传热路径上那些位置的热阻大，那些位置的热阻小，具体在芯片封装的那层位置上，或外部传热路径的那个位置上。其基本的理论是：

在一维热传导路径上，可将图3其看成若干个RC网络串联构成的一个热阻抗网络。对于一个阶跃输入，单个的RC网络的响应为：

$a\left(t\right)=R\·\[1-e^{(-\frac{t}{\mathrm{\τ}})}\]$

多个RC网络串联后的响应为：

$a\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i\·\[1-e^{(-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i})}\]$

如果已知R及时间常数τ就知道了整个***。当n趋于无穷大时，上式可看成是一个积分：

$a\left(t\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}R\left(x\right)\[1-e^{(-\frac{t}{\mathrm{\τ}})}\]d\mathrm{\τ}$

在分布电路分析中将R(τ)称为时间常数谱。由于在连续坐标下，响应的开始部分无法分辨，于是将相应的时间轴换成对数坐标系。令：

z＝ln(t)

利用分步求导公式，并将上述变换带入相应的积分表达式有：

$\frac{d}{dz}a\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}R\left(\mathrm{\ζ}\right)\[e^{(z-\mathrm{\ζ}-e^{(z-\mathrm{\ζ})})}\]d\mathrm{\ζ}$

上式是一个卷积形式的积分表达式，令：

$w_z\left(z\right)=e^{(z-e^z)}$

则有：

$\frac{d}{dz}a\left(z\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}R\left(\mathrm{\ζ}\right)W_z(z-\mathrm{\ζ})d\mathrm{\ζ}$

即是：

$\frac{d}{dz}a\left(z\right)=R\left(z\right)\⊗w_z\left(z\right)$

通常在热测试中，测量的往往是响应a(z)，于是R(z)可通过反卷积运算求得：

$R\left(z\right)=\[\frac{d}{dz}a\left(z\right)\]{\⊗}^{-1}{w}_z\left(z\right)$

以上过程便是T3ster进行测量的物理依据。T3ster测试仪是近年来采用最新的信号处理技术与传统电测方法结合的产物，由于目前没有这方面的适合其使用的传感器，导致T3ster无法对大结构热阻测试等其他方面发挥出功用。

通过反卷积运算得到的R(z)按图2方式离散化，形成Foster网络，再通过变换，即可形成具有具体物理意义的Cauer网络。形成所谓的结构函数。

通过分析结构函数上各峰值、分离点的位置、大小，根据其物理意义，即可得出对应的热阻大小，热阻产生位置的主要信息，成为分析热点外热路上传热路径的有力工具。

该测试方法主要用于芯片封装测试上、封装检测、LED效率测定等领域。已有商用的仪器设备主要是美国Mentor的T3ster，并未在测量外部机械结构热阻中应用，其主要存在的问题主要有：

该方法的主要目的仍然是测量芯片封装的各级热阻，而非测量芯片外部安装机械结构，散热结构的热阻；

在外部热路热容及导热系数低时，散热不良时，容易造成PN节温度过高，导致超过T3ster仪器电压测量范围超限，

对于外部散热结构大，散热良好的结构、***，容易出现的问题是热点温升不高，温升曲线易受外部测量噪音干扰，无法识别出外部热阻网络，或识别的精度太差，没有应用价值。

目前，没有专门为识别、分析外部热路而设计的芯片，目前的芯片都是专门的功能芯片，其加热功率普遍较小，通常在低于10W，且需要复杂的***电路和***电路知识，才能发挥出其最大功耗，并求出实际的工作热耗，而这些知识与技能，往往是结构热阻测试人员不具备的。

鉴于以上三点原因，目前还没有利用T3ster进行外部结构热阻测试的应用。

目前已有的专利文献多在基本测试方法和测试夹具设计上，没有关于专门为T3ster配置用于大尺度、可灵活变化的，用于结构热阻测量热测试传感器方面专利文献。国内专利文献主要分布在晶体管、LED封装热阻测试方法及对应测试台夹具方面，典型的测量晶体管、LED封装热阻方法相关专利文献主要有：

[1]北京时代民芯科技有限公司,北京微电子技术研究所公开的一种超大规模集成电路结到壳热阻测试的方法:中国专利公开号CN201410073691.8[P].2014-6-4。

[2]闽南师范大学公开的一种功率型LED集成模块热阻测试新方法，中国专利公开号CN201210484705.6[P].2014-5-28。

[3]北京大学公开的一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法，中国专利公开号CN201110079809.4[P].2011-10-19。

[4]英业达股份有限公司公开的模拟热测试芯片的热阻值的方法:中国专利公开号CN200710129034.0[P].2008-12-31。

[5]联合汽车电子有限公司公开的模块化散热源装置、具有该装置的热阻测试***及测试方法:中国专利公开号CN201310520877.9[P].2015-4-29.

[6]华为技术有限公司公开的一种导热材料热阻测试方法及测试夹具，中国专利公开号CN200510101731.6[P].2007-5-30。

[7]重庆大学公开的功率型LED热阻的测试装置及方法:中国专利公开号CN201410171198.X[P].2014-7-16.

[8]中国空间技术研究院公开的用于半导体器件的热阻测试方法，中国专利公开号CN201410022216.8[P].2014-5-14。

[9]工业和信息化部电子第五研究所公开的结环热阻的测试方法及***，中国专利公开号CN201310526782.8[P].2014-1-29。

[10]厦门大学公开的一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法，中国专利公开号CN201310031364.1[P].2013-6-12。

[11]中国科学院电工研究所.结壳热阻测试方法中国专利公开号CN201310054317.9[P].2013-6-26。

[12]北京工业大学公开的一种LED灯具热阻构成测试装置和方法中国专利公开号CN201310000861.5[P].2013-5-1。

[13]东南大学公开的一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法中国专利公开号CN201210234394.8[P].2012-10-31。

[14]中国电力科学研究院,西安威特电器设备有限公司.一种新型的散热器热阻流阻测试设备中国专利公开号CN201120120536.9[P].2011-12-21。

[15]株洲时代散热技术有限公司公开的一种电力半导体元件散热器热阻测试方法及装置中国专利公开号CN201110099548.2[P].2011-11-16。

[16]乐金电子(天津)电器有限公司公开的散热器的热阻测试方法中国专利公开号CN201010150355.0[P].2011-11-9。

[17]鸿富锦精密工业(深圳)有限公司,鸿海精密工业股份有限公司.散热器热阻系数测试仪及测试***与方法中国专利公开号CN200610201128.X[P].2008-6-4。

测量晶体管、LED封装热阻测试台夹具相关：

[1]工业和信息化部电子第五研究所公开的金氧半场效晶体管热阻测试装置和测试板中国专利公开号CN201420623733.6[P].2015-3-18。

[2]北京时代民芯科技有限公司公开的北京微电子技术研究所.一种玻封表贴二极管稳态热阻测试夹具和测试方法中国专利公开号CN201410431067.0[P].2014-12-24.

[3]华南师范大学.一种用于测试LED芯片热阻的装置中国专利公开号CN201420786481.9[P].2015-4-29。

[4]工业和信息化部电子第五研究所公开的电子元件热阻测试夹具中国专利公开号CN201410129084.9[P].2014-6-25。

[5]中国空间技术研究院公开的用于热阻测试的高精度温控试验***中国专利公开号CN201410021593.X[P].2014-5-14.

[6]绍兴旭昌科技企业有限公司公开的测试微型单相全波桥式整流器件稳态热阻及结温的装置中国专利公开号CN200920198618.8[P].2010-8-18。

[7]柳州职业技术学院公开的CPU散热器热阻智能测试***及其测试方法中国专利公开号CN201410246065.4[P].2014-8-27。

[8]中国科学院微电子研究所公开的一种TO-3封装功率半导体器件热阻测试装置中国专利公开号CN201420107212.5[P].2014-9-10。

[9]杭州士兰微电子股份有限公司公开的半导体功率器件热阻测试装置及方法中国专利公开号CN201210592606.X[P].2013-4-17。

[10]中国科学院微电子研究所公开的一种SMD-0.5封装功率半导体器件热阻测试装置中国专利公开号CN201420107215.9[P].2014-8-13。

[11]中国科学院微电子研究所.一种TO-39封装功率半导体器件热阻测试装置中国专利公开号CN201420107234.1[P].2014-8-13。

[12]联合汽车电子有限公司公开的模块化散热源装置及具有该装置的热阻测试***中国专利公开号CN201320669430.3[P].2014-5-14.

[13]中国科学院微电子研究所公开的功率半导体器件热阻测试装置中国专利公开号CN201320379046.X[P].2014-1-29。

[14]中国电子科技集团公司第十三研究所公开的一种半导体功率器件的热阻测试仪中国专利公开号CN201020521051.6[P].2011-3-23。

[15]上海大学公开的大功率发光二极管热阻及结温测试***中国专利公开号CN200810037356.7[P].2008-9-17。

[16]上海小糸车灯有限公司公开的一种便携式LED热阻测试装置中国专利公开号CN200820151973.5[P].2009-7-15。

[17]中国西电电气股份有限公司公开的一种晶闸管及散热器热阻测试用夹紧装置中国专利公开号CN200820222458.1[P].2009-9-30。

[18]鸿富锦精密工业(深圳)有限公司公开的鸿海精密工业股份有限公司.散热装置热阻值测试仪中国专利公开号CN200710200005.9[P].2008-7-9。

[19]襄樊台基半导体有限公司公开的一种平板式半导体器件稳态热阻测试装置中国专利公开号CN200520097279.6[P].2006-12-13。

目前国内大部分专利文献均指向改进测试方法方向。如对测量材料的热阻的标准ASTM5470进行改进、对电测法测量节温的种种改进及方法优化等，主要在于改进测试节温的方法、改进测试夹具的易用性、改进测试夹具的通用性、提高测试的效率等几个方面。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种根据T3ster测试仪提供的数据采集平台及控制器T3ster自带有控制器、数据采集模块、信号处理软件，能够提高T3ster热测试仪使用范围和测试对象范围，以解决测量、分析热路上不同部分热阻的热阻测试传感器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种热阻测试传感器***，包括一个带有光耦的电子开关、微带电阻、热电偶和T3ster控制器，其中,电子开关串联微带电阻与高压直流电源相连，其特征在于：热电偶打孔布置于微带电阻封装基板上，形成T3ster的传感器，并将热电偶连接T3ster自带的数据采集模块；外部大电流电源对微带电阻进行供电，T3ster数据采集模块在T3ster控制器的控制下工作；T3ster控制器输出高电平控制信号打开电子开关，接通微带电阻加电的高压电源，持续加热微带电阻，当微带电阻达到热平衡时，T3ster控制器输出一个阶跃低电平信号给电子开关，电子开关随即动作关断给微带电阻供电的高压大电源，同时T3ster控制器控制T3ster的数据采集模块立即同步采集阶跃热负荷变化时，微带电阻上热电偶的温度信号，形成温度响应曲线，并应用T3ster自带的信号处理软件，自动分析出传热路径上的热结构函数，求取传热结构中关心位置段的热阻。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明通过微带电阻片将热电偶打孔布置于微带电阻封装基板上，作为热源及传感器；测试时，利用T3ster控制器的输出高电平控制信号，使得带有光耦的电子开关打开，接通微带电阻加电的高压电源，微带电阻工作，持续加热，当达到热平衡时，利用T3ster控制器的控制功能，通过其测试软件使得控制器输出一个阶跃低电平信号给电子开关，电子开关随即动作，关断给微带电阻供电的直流高压大电源，同时T3ster的传感器***将立即同步采取测点位置处的温度信号，形成温度响应曲线，然后再通过T3ster的信号处理软件，自动分析出传热路径上的热结构函数，从而求取传热结构中关心位置段的热阻，解决了热阻测量中无法使用T3ster对大结构的热阻测试的问题；以及采用热芯片进行热阻测试，通用性差、通用性受封装厂家提供热芯片制约、加热功率低的问题。

本发明采用电子开关，利用T3ster控制器发出的控制信号，实现热电偶温度采集过程与电阻停止加热过程的同步，实现同步的温度数据采集是本发明的主要技术特征。采用了外部大电流电源对微带电阻进行供电，同时利用了T3ster自身在测试时输出的小控制电压信号，对电子开关进行控制，实现阶跃热负荷变化时温度数据数据采集的同步，实现大的发热功率，在一定程度上大大提高了原T3ster热测试仪的使用范围、测试对象范围。

采用本发明后可使用任意大小阻值的微带电阻对传热结构进行热测试，由于其加热功率大，使得T3ster应用范围大大提高，有利于通过测试，迅速找出热设计中***的传热瓶颈所在。本发明可使普通微带电阻可作为T3ster的发热源及传感器使用，实现了大功率的热测试，用于获得外部传热路径的热结构函数。

附图说明

图1是本发明热阻测试传感器***典型应用环境配置示意图。

图2是测试热阻测试传感器***工作原理示意图。

图3是T3ster现有的由若干个RC网络串联，构成的一个热阻抗网络，进行热阻测试原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，热阻测试传感器***包括：一个带有光耦的电子开关、微带电阻、热电偶和T3ster控制器，其中：电子开关串联微带电阻。通过外部结构热阻测试箱接地，热电偶打孔布置于微带电阻封装基板上，形成可供T3ster利用的自加热传感器，该传感器与T3ster数据采集模块相连；外部大电流电源对微带电阻进行供电，T3ster的数据采集模块在T3ster控制器的控制下工作；T3ster控制器输出高电平控制信号打开电子开关，接通微带电阻加电的高压电源，持续加热微带电阻，当微带电阻达到热平衡时，T3ster控制器，输出一个阶跃低电平信号给电子开关，电子开关随即动作关断给微带电阻供电的高压大电源，同时T3ster的传感器***在T3ster控制器的控制下立即同步采集阶跃热负荷变化时微带电阻中热电偶对应温度信号，形成温度响应曲线，并应用T3ster自带的信号处理软件，自动分析出传热路径上的热结构函数，求取传热结构中关心位置段的热阻。

在图2所示热阻测试传感器***和T3ster控制器及测量对象的连接关系中，整个热阻测试传感器***，包括图1除T3ster控制器仪器及热电偶前置放大器外的所有部分。T3ster控制器通过热电偶前置放大器连接热电偶K及微带电阻R4构成了热阻测试传感器的本体。T3ster控制器串联电阻R1、LED1和二极管接地GND，接地VDD光耦U1集电极通过电阻R2并联电阻R3电连接大电流高电压电源VCC、VCC通过功率MOSFET管Q1与电阻R2构成了对微带电阻R4的加电控制回路。当T3ster控制器输出为高电平时，LED1指示该高电平，同时导通光耦U1，Q1的门级处于低电平，Q1处于导通状态，微带电阻R4工作，开始加热程序；当加热稳定后，开始测试程序，当T3ster控制器输出低电平时，LED1指示该低电平，光耦U1关闭，Q1的门级处于高电平，Q1处于截止状态，微带电阻R4立即停止工作。与此同时，热电偶K开始将从这时刻起采集温度信号，并通过前置放大器传输到T3ster控制器中，形成温降响应曲线序列，为后续的数据处理和分析提供基础数据。

Claims (4)

1.一种热阻测试传感器***，包括一个带有光耦的电子开关、微带电阻、热电偶和T3ster控制器，其中,电子开关串联微带电阻与高压直流电源相连，其特征在于：热电偶打孔布置于微带电阻封装基板上，形成T3ster的传感器，并将热电偶连接T3ster自带的数据采集模块；外部大电流电源对微带电阻进行供电，T3ster数据采集模块在T3ster控制器的控制下工作；T3ster控制器输出高电平控制信号打开电子开关，接通微带电阻加电的高压电源，持续加热微带电阻，当微带电阻达到热平衡时，T3ster控制器输出一个阶跃低电平信号给电子开关，电子开关随即动作关断给微带电阻供电的高压大电源，同时T3ster控制器控制T3ster的数据采集模块立即同步采集阶跃热负荷变化时，微带电阻上热电偶的温度信号，形成温度响应曲线，并应用T3ster自带的信号处理软件，自动分析出传热路径上的热结构函数，求取传热结构中关心位置段的热阻。

2.如权利要求1所述的热阻测试传感器***，其特征在于：3ster控制器通过热电偶前置放大器连接热电偶K及微带电阻R4构成了热阻测试传感器的本体。

3.如权利要求1所述的热阻测试传感器***，其特征在于：T3ster控制器串联电阻R1、LED1和二极管接地GND，接地VDD光耦U1集电极通过电阻R2并联电阻R3电连接大电流高电压电源VCC，VCC通过功率MOSFET管Q1与电阻R2构成了对微带电阻R4的加电控制回路。

4.如权利要求3所述的热阻测试传感器***，其特征在于：当T3ster控制器输出为高电平时，LED1指示该高电平，同时导通光耦U1，Q1的门级处于低电平，Q1处于导通状态，微带电阻R4工作，开始加热程序；当加热稳定后，开始测试程序，当T3ster控制器输出低电平时，LED1指示该低电平，光耦U1关闭，Q1的门级处于高电平，Q1处于截止状态，微带电阻R4立即停止工作，与此同时，热电偶K开始将从这时刻起采集温度信号，并通过前置放大器传输到T3ster控制器中，形成温降响应曲线序列，为后续的数据处理和分析提供基础数据。